水電工程過流部件柔性涂層材料泥沙磨損及抗磨能力研究

張 攀，姚 兵，鄧萬權，劉小兵

（西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039）

0 引言

水電工程尤其是水電站水輪機過流部件在含沙水中，常遭受泥沙磨損，不僅會降低工程的穩定性，嚴重時會導致過流部件表面形態發生損壞，對經濟效益影響巨大［1］。國內外學者非常重視水電工程過流部件泥沙磨損問題，DARISSE A［2］利用LDV 測試圓柱射流，獲得了高雷諾數流動區域的速度分布。TOUSAINT M［3］利用LDV 測試技術進行了瞬態流動流場測試，發現LDV 技術可以描述和分析流動分離、尾跡和回流等現象，指出了動靜干涉作用。楊涵等［4］采用固液兩相流模型對夏特電站水輪機內部沙水流動進行了數值計算，并分析了水輪機活動導葉的磨損規律。趙嘯怡等［5］對映秀灣電站水輪機活動導葉開展了數值計算和泥沙磨損試驗，預估了活動導葉使用壽命。龐嘉揚等［6］進行了一混流式水輪機轉輪泥沙磨損試驗，發現轉輪葉片的進水邊和出水邊較其他位置磨損更嚴重。曹文哲等［7］對水輪機噴射機構內部流場進行了數值計算，得出在不同開度下噴射機構的流動規律和泥沙磨損特性。張雷等［8］研究了運行工況對高沙水水輪機導水機構泥沙磨損的影響，通過數值模擬方法對水輪機不同運行工況進行數值計算，得到出力工況對活動導葉流動影響較大，隨著出力減小，導葉區流速增大，隨之導葉的迎水面和背水面速度差增大，研究結果為預測高沙水水輪機活動導葉泥沙磨損特性和研究抗磨蝕措施提供技術參考。為提高水電工程過流部件的抗磨蝕性能，在過流部件表面噴涂抗磨涂層是目前較有效的方法，多采用樹脂涂層、碳化鎢熱噴涂以及激光熔覆等。BOLELLI G 等［9］通過超音速火焰噴涂（HVOF）技術在鋼材上涂覆WC10Co4Cr 涂層材料，并開展磨蝕試驗測試，發現WC10Co4Cr涂層材料在抗壓強度、抗磨蝕特性、韌性、塑性等方面效果較優，很大程度上延長葉輪的使用壽命。THAKUR L 等［10］通過增加Cr 元素的占比和保持固定比例的MWCNTs，對CoCr 黏結劑進行了優化，并研究了MWCNT 納米WC-CoCr 涂層的磨蝕性能，試驗結果發現添加更高比例的Cr有助于增強納米WC-CoCr 涂層的韌性。伏利等［11］采用HVOF超音速火焰噴涂技術，在0Cr13Ni5Mo 不銹鋼試件表面噴涂Cr3C2-25NiCr 和WC-12Co 材料，通過多種性能測試設備檢測，發現WC-12Co 涂層的韌性和抗磨蝕性能比Cr3C2-25NiCr 涂層更好。ABGOTTSPON A 等［12］將HPP Fieschertal 材料涂覆在一沖擊式水輪機過流部件表面上，磨蝕試驗結果發現其涂層改善了水輪機效率且抗磨蝕效果好。魯思陽等［13］對新疆某電站水輪機活動導葉開展泥沙磨損試驗，對比分析過流部件ZG0Cr13Ni4Mo 材料和ZG06Cr13Ni5Mo 材料的抗磨性能，結果發現ZG0Cr13Ni4Mo 材料耐磨性能更好。李志紅等［14］從沖刷、空蝕等角度分析水力機械磨損問題，分析常見抗磨方法的優缺點，提出開展新材料、新工藝的研究是減少水力機械磨損最有效的方法。蘇佳慧等［15］采用數值計算的方法，對比分析4 種磨損模型對90°彎管磨損的適用性，總結出各個磨損模型的統一公式。本文對研制的一種柔性抗磨涂層材料噴涂在水電工程管道和水輪機導葉表面上的試件進行泥沙磨損試驗，結合流動數值計算結果，建立試件泥沙磨損預估模型，為水電工程過流部件泥沙磨損提供預估方法，也為水電工程的運行檢修維護提供技術支撐。

1 柔性抗磨涂層材料性能

本柔性抗磨涂層材料的性能特點及參數見表1。

表1 抗磨涂層性能特點及參數Tab.1 Properties and parameters of antiwear coating

2 泥沙磨損試驗系統及試件設計

2.1 試驗系統

泥沙磨損試驗系統由動力系統、沙水混合系統、冷卻系統和試驗工作段組成，磨損試驗系統示意圖，見圖1。沙水混合系統采用系列沖沙泵對泥沙進行攪拌，防止泥沙沉淀，使其水和泥沙充分混合。電磁流量計與流量調節閥的距離為管徑的15倍。試驗動力系統最大動力450 kW，最大流量280 m3/h，最大水頭300 mm。

圖1 磨損試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of wear test system

2.2 磨損試件及工作段設計

針對水電工程管道和電站水輪機導水機構部件設計磨損試驗試件和工作段。

（1）管道試件。管道基材為316L 不銹鋼，不銹鋼管道試件采用316 L 不銹鋼管（管道常用），鋼管內徑60 mm；柔性涂層管道試件內徑62 mm，內表面涂層2 mm。保證有無涂層的管道內徑大小相同，管道試件實物，見圖2。

圖2 基材316L不銹鋼的管道試件實物Fig.2 The base material of 316L stainless steel pipeline specimen

（2）水輪機導水機構試件。導水機構導葉試件采用HLA351-50 機型水輪機進行設計，試件基材均采用00Cr13Ni5Mo 不銹鋼（水電工程過流部件常用的抗磨鋼材），數控加工制作。由于導葉試件較小，在制作柔性涂層活動導葉和固定導葉試件時，分別依據不銹鋼活動導葉和固定導葉試件尺寸，將表面尺寸等厚度縮減1 mm 加工后，再噴涂1 mm 厚的柔性涂層。保證有無涂層的導葉試件大小相同，制作的柔性涂層試件實物，見圖3。

圖3 基材00Cr13Ni5Mo不銹鋼的柔性涂層導葉試件實物Fig.3 Substrate 00Cr13Ni5Mo stainless steel flexible coating guide vane specimen

（3）泥沙磨損試驗工作段設計。管道泥沙磨損試驗，可直接將管道試件聯結到試驗系統進行試驗；導水機構中的導葉泥沙磨損試驗必須要設計試驗工作段。導葉泥沙磨損試驗將試驗工作段做成Q345R 碳鋼材質的方形箱體，依照水輪機設計工況設計水輪機導水機構工作段，導葉工作段中用數控加工工藝銑出40 mm 深度的槽道作為試驗流道，并在槽底銑出深度為10 mm 的槽道用于安裝導葉并保證其槽道內的接觸面在試驗過程中不受泥沙磨損，以便保證試驗前后，試件泥沙磨損所需測試的基準面不變。導水機構試驗工作段設計圖，見圖4，工作段實物圖，見圖5。

圖4 導葉試驗工作段設計圖（單位：mm）Fig.4 Guide vane test working section design

圖5 試驗工作段箱體實物圖Fig.5 Test section box physical picture

3 泥沙磨損試驗及結果

3.1 泥沙參數

泥沙采集于岷江，沙粒密度：2 650 kg/m3，泥沙成分：石英石、長石、角閃石，泥沙中值粒徑：0.335 mm。顆粒粒徑分布，見圖6。

圖6 顆粒粒徑分布圖Fig.6 Particle size distribution diagram

3.2 試驗參數

管道試驗：沙水流速V=40、30、20 m/s，泥沙含量CV=4.0、6.0、8.0 kg/m3，試驗時間90 h。

導水機構試驗：進口沙水流速V=19 m/s，泥沙含量CV=4.0、6.0、8.0 kg/m3，試驗時間50 h。

3.3 泥沙磨損測試方法

水輪機導葉表面的泥沙磨損測試，采用光學3D 表面輪廓儀，測量精度0.18 μm，見圖7。對管道內表面的泥沙磨損測試，由于管道內表面曲率較大，3D 表面輪廓儀測量誤差很大，因此另采用可測曲率大的試件的LJ-X8080 系列基恩士激光測量儀，測量精度0.5 μm，見圖8。

圖7 光學表面3D輪廓儀Fig.7 Optical surface 3D profiler

圖8 基恩士激光測量儀Fig.8 Keenes laser measuring instrument

3.4 泥沙磨損試驗及結果

按不同試驗參數對管道進行了泥沙磨損試驗，發現各工況管道表面泥沙磨損的趨勢一樣，磨損量與泥沙濃度基本成正比例關系。在泥沙含量CV=6.0 kg/m3，管內沙水流速V=30 m/s 時，試驗90 h后，管道內表面所測段的316L不銹鋼和柔性涂層管道試件的磨損量，見圖9 和圖10，根據測試結果可得不銹鋼管試件平均磨損率1.04×10-3μm/s，柔性涂層試件平均磨損率僅2.67×10-4μm/s，比較可知，不銹鋼管試件磨損量比柔性涂層試件磨損量大的多，約4倍。

圖9 316L不銹鋼管試件磨損量Fig.9 Wear of 316L stainless steel tube specimen

圖10 柔性涂層試件磨損量Fig.10 Wear of flexible coating specimen

按不同試驗參數對水輪機導葉進行了泥沙磨損試驗，也發現各工況導葉表面泥沙磨損的趨勢一樣，磨損量與泥沙濃度也基本成正比例關系。在泥沙含量CV=6.0 kg/m3，導水機構進口沙水流速V=19 m/s時，試驗50 h后，00Cr13Ni5Mo不銹鋼和柔性涂層水輪機導葉磨損量，見圖11 和圖12。從測試結果可知，導葉沿翼弦，中間部分磨損較小，頭部磨損最大，尾部次之。不銹鋼固定導葉最大磨損率達到5.93×10-3μm/s，柔性涂層固定導葉最大磨損率僅為1.69×10-3μm/s，不銹鋼活動導葉最大磨損率達到7.83×10-3μm/s，柔性涂層活動導葉最大磨損率僅為2.24×10-3μm/s，比較可知，固定導葉和活動導葉不銹鋼試件的磨損量基本都是柔性涂層試件磨損量的3.5 倍左右。試驗結果也表明，00Cr13Ni5Mo不銹鋼比316L不銹鋼更耐磨。

圖11 00Cr13Ni5Mo不銹鋼導葉磨損量Fig.11 00Cr13Ni5Mo stainless steel guide vane wear

圖12 基材00Cr13Ni5Mo不銹鋼的柔性涂層導葉磨損量Fig.12 Guide vane wear of flexible coating 00Cr13Ni5Mo stainless steel

4 導水機構內部流動LDV測試

泥沙磨損試驗可以獲得各種試件的磨損量或磨損率，如果要建立試件的泥沙磨損模型，以預估各種水電工程過流部件不同工況下的泥沙磨損情況，根據泥沙磨損計算模型要求可知，必須要知道過流部件表面速度分布。采用LDV 測試儀對水輪機導水機構內部流動速度進行測試。導水機構幾何模型和進口水流速度與泥沙磨損試驗相同，所得的導葉表面速度分布，見圖13。從測試結果可知，固定導葉由于受到來流沙水的撞擊，導致頭部出現速度局部升高現象?；顒訉~表面速度最大值出現在背面尾部處，且背面表面速度普遍大于工作面。

圖13 導葉表面速度分布Fig.13 Guide vane surface velocity distribution

5 泥沙磨損數學模型

泥沙磨損數學模型通常以泥沙磨損率來建立，泥沙磨損率一般為下列表達式［16］：

E=kCVVn

式中：E為磨損率（過流部件表面材質在單位時間內的磨損深度），μm/s；k為泥沙磨損系數；CV為過流部件平均泥沙含量，kg/m3；V為沙水沖擊過流部件壁面的速度，m/s；n為速度指數。

對于水輪機導水機構，根據導葉泥沙磨損試驗數據和速度測試結果，可擬合得到水輪機導葉（固定導葉和活動導葉）試件泥沙磨損數學模型。

00Cr13Ni5Mo不銹鋼導葉試件：

E=3.2×10-8CVV2.5

柔性涂層導葉試件：

E=3.6×10-8CVV2.1

對于管道，沙水速度可以認為是恒定的，這樣根據試驗參數和泥沙磨損試驗數據，可擬合得到316L不銹鋼管試件及柔性涂層管道試件泥沙磨損數學模型：

316L不銹鋼管試件：

E=3.5×10-8CVV2.5

柔性涂層管道試件：

E=3.7×10-8CVV2.1

式中：CV為含沙量，kg/m3。

根據上面的水電工程過流部件泥沙磨損數學模型，可預估類似水電工程過流部件的泥沙磨損情況。同時，發現有無柔性涂層試件的泥沙磨損系數差別不大，但柔性涂層試件比不銹鋼試件的泥沙磨損速度指數小，表明柔性涂層試件比不銹鋼試件的泥沙磨損小，速度越高的工況，磨損比會更小，也說明本柔性抗磨涂層材料比常用抗磨不銹鋼的抗磨能力強的多。

6 結論

對研制的一種柔性抗磨涂層應用在水電工程中的管道和水輪機導葉過流表面上的泥沙磨損進行了試驗研究，結果表明本柔性抗磨涂層材料的泥沙磨損比不銹鋼材質小的多，大大提高了水電工程過流部件的抗磨能力。并結合過流部件表面速度結果，建立了水電工程過流部件泥沙磨損數學模型，利用所建預估磨損模型，不僅可預估岷江流域水電工程過流部件各種工況的泥沙磨損，也可預估類似水電工程的泥沙磨損，為水電工程尤其是水電站的運行檢修維護提供了技術支撐。